Определение процесса кристаллизации

 

Во избежание слеживания следует получать более крупные  кристаллы либо мелкие кристаллы  одинакового размера. Мелкие кристаллы  разной величины, особенно кристаллическая  пыль, способствуют слеживанию продукта.

Способы кристаллизации

Для создания перенасыщенных растворов, т.е. проведения процесса кристаллизации, используют следующие ее способы:

1. изменение температуры  раствора;

2. удаление части растворителя;

3. комбинирование;

4. кристаллизация из расплавов.

 

При положительной растворимости (с повышением температуры растворимость  растет) для выделения кристаллов раствор необходимо охладить. Охлаждение проводят путем отбора тепла водой  через стенку, охлаждающими рассолами  либо обдувом воздухом. При обдуве воздухом процесс кристаллизации протекает  медленнее, но образуются однородные и  более крупные кристаллы.

 

 При отрицательной  растворимости (при повышении  температуры растворимость падает) кристаллизацию осуществляют путем  нагрева теплой водой или водяным  паром.

 

Кристаллизацию с удалением  части растворителя проводят при  его частичном испарении или  вымораживании.

 

При комбинированном способе  кристаллизации ее проводят с испарением части растворителя и одновременным  охлаждением раствора. В некоторых  случаях проводят кристаллизацию под  вакуумом и дробную кристаллизацию. При дробной кристаллизации содержащиеся в растворе вещества извлекают из него последовательно.

 

Кристаллизации из расплавов  подвергают такие вещества, как нафталин, сера, паранитроанилин и подобные, когда в процессе участвует вся масса расплавленного вещества.

 

Одним из способов кристаллизации также является добавление в раствор  водоотнимающих веществ, или высаливание, т.е. добавление в раствор веществ, понижающих растворимость выделяемой соли. При высаливании используют вещества, связывающие воду (например, кристаллизация сульфата натрия при добавлении спирта или аммиака), или соединения, содержащие одинаковый ион с данной солью (например, кристаллизация хлористого натрия при добавлении хлористого магния, кристаллизация медного купороса при добавлении концентрированной серной кислоты).

 

Кристаллизация и растворение

 

Кристаллизация – процесс  разделения однородных жидких растворов  на твердую и жидкую фазы: растворенное вещество и растворитель. При этом может быть выделение твердого растворенного  вещества из его раствора (кристаллизация из раствора) или процесс выделения  твердой фазы при затвердевании  веществ, находящихся в расплавленном  состоянии (кристаллизация из расплава).

Процесс кристаллизации широко применяют при получении сахарозы, глюкозы, поваренной соли, лимонной и  молочной кислот, глютамата натрия и др.

Кристаллизация из растворов  основана на ограниченной растворимости  твердых веществ. Раствор, содержащий максимальное количество растворенного  вещества в данном количестве растворителя при определенной температуре, называется насыщенным. Если раствор содержит большее количество растворенного  вещества, чем его растворимость, то он является пересыщенным. Если же раствор  содержит меньшее количество растворенного  вещества, то называется ненасыщенным. 

 

Растворение - процесс, образования  однородного раствора из твердой  и жидкой фаз роцесс обратный кристаллизации. Растворение происходит при концентрации растворяемого продукта, меньшей концентрации насыщения.

 

 Этот процесс включает следующие стадии: перенос растворителя к поверхности кристалла; химическая межфазная реакция на поверхности кристаллов; отвод продукта растворения от поверхности реакции. Ненасыщенные растворы сами по себе устойчивы, но если к ним добавить растворимое твердое вещество, то оно будет растворяться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным,

.

Если растворы перенасыщены, то они неустойчивы и из них  выделяется избыточное количество растворенного вещества, т.е. происходит процесс кристаллизации.

 

 После выделения кристаллов  раствор становится насыщенным. Этот насыщенный раствор, полученный  в результате выделения кристаллов, называется маточным раствором  или маточником. Отделение маточного  раствора от кристаллов производится  центрифугированием и другими  методами.

кристаллизация выпаривание аппараты

 

 

Несмотря на вековую давность практического освоения про­цесса кристаллизации, аппаратурное оформление этого процесса не достигло такой степени совершен­ства, как, например, для выпаривания или ректифи­кации.

 

Так, в сахарных и других пищевых производствах процесс  кристаллизации осуществляется периодически. Кристаллизация начинается в испарителях  — вакуум-аппаратах с паровым  обогре­вом; затем по достижении предельной концентрации увариваемой массы, при которой возможен спуск ее из аппарата, кристалли­зация переносится в мешалки-кристаллизаторы, обычно с водя­ным охлаждением.

 

Вакуум-аппараты периодического действия для различных продуктов  являются выпарными аппаратами, приспособленными для уваривания концентрированных  продуктов. Вакуум-аппараты имеют достаточное  сечение проточной части поверхности  нагрева для надежной циркуляции и выпуска густой увариваемой  массы (например, кипятильные трубы  применяются диаметром не ме­нее 85 мм). Применяемые конструктивные формы этих аппаратов многообразны. Применяются аппараты с трубными подвесными камерами, обычно для обогрева вторичными парами различного давлении, реже встречаются аппараты со встроенной камерой. Особенно разнообразны кристаллизаторы-испарители в химической промышленности

Формы поверхности нагрева вакуум-аппаратов

Конструкторы ищут рациональную форму поверхности на­грева и корпуса аппарата (см. рисунок): для улучшения спуска уваренной массы делают конические трубные решетки или коль­цевые камеры; с целью организации циркуляции раствора аппа­раты снабжают цилиндрическими надставками (рис. а); при змеевиковых поверхностях нагрева обычно обогревают конус аппарата (рис. в); с целью уменьшения начального напол­нения аппарата увариваемым продуктом (до 25% и менее к об­щему количеству сгущаемого раствора) поверхность нагрева опускают в корпусе возможно ниже (рис. б); для уменьше­ния температурной депрессии расширяют корпус над трубной решеткой (рис. г), уровень кристаллизующейся массы сни­жается.

 

Очень насущной задачей является вы­бор оптимальной конструкции  вакуум-аппарата периодического и непрерывного действия.

 

Основными наглядными критериями подбора вакуум-аппаратов перио­дического действия являются малая цветно­сть готового продукта и высокая однородность кристаллов, что характеризует нормальную циркуляцию и отсутствие застойных зон в аппарате.

Схемы основных типов кристаллизаторов непрерывного действия:

1—стенки, охлаждаемые водой; 2—мешалки; 3—циркуляционная труба; р—поступление раствора; РМ — отвод маточного раствора; КР — отвод кристаллов

Непрерывные процессы кристаллизации можно разделить на два различных  типа: процессы с перемешиванием и  без перемешивания (см. рисунок).

 

В аппарате с перемешиванием (а), аналогичном химическому реактору полного смешения, осуществляется процесс  кристалли­зации в объеме с однородной массой продукта; отвод кристал­лов и истощенного раствора производится раздельно.

 

В кристаллизаторе без  перемешивания (б) насыщенный рас­твор поступает с одного конца, а зародышеобразование и крис­таллизация происходят на следующих друг за другом участках вдоль длины аппарата.

 

В идеальном случае продольное перемешивание отсутствует, кристаллизатор уподобляется химическому реактору полного вы­теснения. Состав и температура  раствора меняются вдоль длины кристаллизатора. При контролируемой кристаллизации важнейшее значение имеет точный контроль пересыщения. В этом отношении процесс с перемешиванием имеет большое преимущество.

 

 

 

 

 

Введение диссертации (часть автореферата) На тему "Разделение бинарных водно-солевых  систем методом адиабатной кристаллизации"

 

 

 

Процессы кристаллизации широко используются в химической, нефтехимической, коксохимической, металлургической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Их применение позволяет решать широкий спектр задач по выделению различных  веществ из растворов, их глубокой очистки  от примесей, концентрированию разбавленных растворов, получению продуктов  с определенными физико-механическими  свойствами и др. Одним из методов  кристаллизации является адиабатная кристаллизация.

 

Адиабатная кристаллизация представляет собой процесс, в котором  пересыщение раствора достигается вследствие адиабатического испарения части растворителя при понижении давления в системе. На испарение жидкости расходуется физическая теплота раствора, который при этом охлаждается до температуры ниже точки насыщения раствора. Данный процесс в литературе часто выступает под разными наименованиями: "вакуумная кристаллизация", "вакуум - выпарная кристаллизация", "адиабатная кристаллизация".

 

Рассматриваемый процесс  довольно часто используется для  кристаллизации водно-солевых растворов  веществ, растворимость которых  слабо зависит от температуры, например, таких как: КС1, NaCl, NaNCb, (NH4)2S04, сахароза и др. Адиабатическая кристаллизация может быть также использована для концентрирования разбавленных растворов путем частичного вымораживания растворителя. Такой процесс особенно перспективен для концентрирования растворов биологически активных и термолабильных веществ, таких, как витамины, аминокислоты, гормоны, плазма крови, экстракты кофе, чая, пива, вина, овощные и фруктовые соки и т.д.При этом данный процесс может быть осуществлен в периодическом и непрерывном вариантах.

 

В сочетании с процессом  сублимационной сушки адиабатная кристаллизация может быть применена для проведения процесса полного обезвоживания  растворов различных веществ, а  также для получения ультратонких порошкообразных материалов (пищевых  добавок, лекарств, окислителей, стабилизаторов и др.).

 

Адиабатная кристаллизация может быть использована не только для разделения водных растворов. Её можно также применить для  разделения различных органических смесей, компоненты которых обладают различными парциальными давлениями паров.

 

Теоретически и экспериментально процесс адиабатной кристаллизации изучен пока недостаточно. Отсутствуют  физико-математические модели, описывающие  данный процесс с учетом его кинетических и фазовых особенностей. Отсутствуют  также данные о влиянии различных  факторов (физико-химических свойств  разделяемых смесей, их состава, исходной температуры, изменения давления в  процессе фракционирования и др.) на выход и состав получаемых продуктов.

 

Целью работы является теоретический  анализ процесса адиабатной кристаллизации применительно к концентрированию водно-солевых растворов в аппаратах  емкостного типа, а также концентрированию растворов, диспергированных в среду  с пониженным давлением; анализ влияния  основных параметров на выходы продуктов  разделения; разработка математической модели процесса адиабатной кристаллизации диспергированных растворов и выдача рекомендаций по разработке оборудования.

 

Работа состоит из пяти глав (разделов). При этом данный процесс  нами рассматривался применительно  к концентрированию водных растворов  веществ, обладающих относительно низкой летучестью, путем частичного вымораживания  растворителя (воды).

 

В первой главе работы изложены результаты обзора литературы по методам  фракционной кристаллизации, описано  состояние вопроса по адиабатной кристаллизации и показано её место  среди остальных методов, обоснована необходимость изучения и дальнейшей проработки этого метода. Так как  при исследовании адиабатной кристаллизации нами был использован метод натуральных  масштабов, то в данной главе рассмотрены  основные особенности этого метода.

 

Вторая глава посвящена  теоретическому анализу процесса адиабатной кристаллизации при вакуумировании раствора в емкостных аппаратах. При этом показано, что периодический процесс состоит из двух основных стадий: простого адиабатного испарения растворителя до достижения насыщения раствора и испарения растворителя, сопровождающегося его частичной кристаллизацией.

 

Третья глава посвящена  анализу влияния различных факторов на протекание процесса концентрирования растворов методом адиабатной кристаллизации. Данный анализ был выполнен применительно к разделению водно-солевых систем.

 

В четвертой главе приведены  результаты теоретического рассмотрения адиабатной кристаллизации диспергированных растворов в газообразную среду, находящуюся под пониженным давлением. При анализе данного процесса в силу его повышенной сложности  нами был использован метод натуральных  масштабов, являющийся одной из модификаций  теории подобия.

 

В пятой главе приведены  данные экспериментальных исследований, позволяющие говорить о достаточно адекватном отражении предлагаемыми  моделями хода рассматриваемых процессов.

 

Научная новизна работы заключается  в том, что выполнен теоретический  анализ процесса адиабатной кристаллизации применительно к концентрированию водно-солевых растворов в аппаратах  емкостного типа.

 

При этом получены теоретические  зависимости, описывающие как стадию простого адиабатного испарения, так  и стадию кристаллизации. Используя  полученные зависимости, проанализировано влияние основных параметров (исходной концентрации раствора, его температуры, остаточного давления и др.) на выход  паровой, жидкой и кристаллической  фаз, а также на их состав. Выявлено также влияние на ход рассматриваемого процесса температурной депрессии  разделяемых растворов и их физико-химических свойств.

 

Проанализирован процесс  адиабатной кристаллизации для диспергированных водно-солевых растворов в среду  с пониженным давлением. Предложена математическая модель процесса, учитывающая  теплоперенос в жидкой, паровой и кристаллической фазах. Показано, что в области низких давлений могут одновременно протекать процессы кристаллизации из жидкой фазы и сублимации льда. Используя метод натуральных масштабов, были установлены лимитирующие стадии процесса и выявлены основные параметры, влияющие на его ход.